單大鵬,王曉云,洪志鵬,王子葉,馮廣慧,孟凡立
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,哈爾濱 150030)
大豆因富含蛋白質(zhì)和油脂等營(yíng)養(yǎng)成分,在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于食品加工、動(dòng)物飼料及工業(yè)原料等行業(yè)[1]。近年來,隨著人們對(duì)生活品質(zhì)和保健等方面意識(shí)增強(qiáng),大豆市場(chǎng)需求逐漸增加。然而,我國(guó)自產(chǎn)大豆無法滿足生產(chǎn)生活需求,仍需大量進(jìn)口。提高大豆產(chǎn)量、減少大豆因蟲害、病害帶來的經(jīng)濟(jì)損失已成為世界關(guān)注熱點(diǎn)。
鱗翅目害蟲引起玉米、大豆、油菜、棉花等作物減產(chǎn),對(duì)我國(guó)乃至全球農(nóng)業(yè)發(fā)展造成巨大損失[2]。蘇云金芽胞桿菌(Bacillus thuringiensis,Bt)在生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生由cry和cyt基因編碼的殺蟲晶體蛋白(Insecticidal crystal proteins,ICPs)[3],其對(duì)鱗翅目、鞘翅目、雙翅目、半翅目、直翅目、膜翅目害蟲具有特異活性[4]。2010~2012年,巴西和阿根廷先后開始商業(yè)化種植Bt大豆。2017年巴西研發(fā)一個(gè)表達(dá)Cry1Ac、Cry1F和膦絲菌素乙酰轉(zhuǎn)移酶(PAT)蛋白的Bt大豆品種DAS814192(ConkestaTM技術(shù)),該品種對(duì)鱗翅目昆蟲具有較高抗性[5]。過表達(dá)Cry1A蛋白轉(zhuǎn)基因大豆顯著降低鱗翅目昆蟲種群密度,尤其是大豆夜蛾、大豆尺蠖夜蛾和長(zhǎng)須夜蛾[6]。Bernardi等發(fā)現(xiàn)Bt大豆(表達(dá)Cry1Ac蛋白的MON 87701×MON 87788)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)鱗翅目昆蟲大豆尺蠖夜蛾(夜蛾科)和大豆夜蛾(鱗翅目:直立目)具有抗性[7]。
Ruizde Escudero等研究已表明,Cry1Ia39蛋白對(duì)紅腹溞幼蟲毒性作用不顯著,但產(chǎn)生一定體重抑制作用[8]。Quemada等將Cry1Ia基因轉(zhuǎn)入馬鈴薯中,成功減弱馬鈴薯麥蛾危害[9]。Silva等將Cry1Ia基因轉(zhuǎn)入棉花,提高轉(zhuǎn)基因棉花對(duì)鱗翅目害蟲棉鈴蟲和黏蟲抗性,且產(chǎn)生與受體植株同樣表型花和種子[10]。Boncheva等在生物測(cè)定中發(fā)現(xiàn)蘋果蠹蛾對(duì)Cry1Ia1敏感性[11]。Cry1Ia7、Cry1Ia10、Cry1Ia12和Cry1Ia13對(duì)草地貪夜蛾有毒性[12]。因此,開發(fā)具有Cry1Ia蛋白轉(zhuǎn)基因植物對(duì)控制鱗翅目害蟲具有重要應(yīng)用前景。本研究對(duì)轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆株系KE1分析鱗翅目害蟲抗性,為培育抗鱗翅目靶標(biāo)害蟲大豆新品系提供基礎(chǔ)性材料。
轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆,轉(zhuǎn)基因大豆KE1表達(dá)Cry1Ia抗蟲蛋白,同時(shí)以Bar基因?yàn)楹Y選標(biāo)記,供試用轉(zhuǎn)基因大豆材料由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室保存。非轉(zhuǎn)基因親本對(duì)照種子墾農(nóng)18由黑龍江省八一農(nóng)墾大學(xué)朱洪德教授提供。
本試驗(yàn)中室內(nèi)和大田所用昆蟲為大豆靶標(biāo)害蟲。黏蟲卵、斜紋夜蛾卵、甜菜夜蛾卵從河南省濟(jì)源白云實(shí)業(yè)有限公司購(gòu)買并在實(shí)驗(yàn)室孵化為一齡幼蟲;大豆食心蟲幼蟲2019年8月15日采集于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)。
1.3.1 植物基因組DNA提取
將轉(zhuǎn)基因株系KE1的T3~T5代種子同時(shí)在溫室中種植,選取長(zhǎng)勢(shì)較好再生植株幼嫩葉片,選用康為世紀(jì)生物科技有限公司DNA提取試劑盒提取葉片總DNA,用于PCR檢測(cè)陽性植株。
1.3.2 利用Primer 5.0設(shè)計(jì)引物
利用Primer 5.0設(shè)計(jì)目的基因Cry1Ia引物序列如下,Cry1Ia-F:GGCATCTGTGACTTGTCTAGAA TTCGG,Cry1Ia-R:TCAAGGAGACTTGTACCATC CCCATG,擴(kuò)增產(chǎn)物長(zhǎng)度約為200 bp。利用Primer 5.0設(shè)計(jì)篩選標(biāo)記基因Bar引物序列如下,Bar-F:GCGGTACCGGCAGGCTGAAG,Bar-R:CCGCAGG AACCGCAGGAGTG,擴(kuò)增產(chǎn)物長(zhǎng)度約為238 bp。
1.3.3 轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆KE1的PCR檢測(cè)
提取大豆葉片總DNA后,分別用Cry1Ia和Bar基因特異引物在Eppendorf PCR儀上擴(kuò)增。模板為植物基因組總DNA,陽性對(duì)照為pCAMBIA3301-Cry1Ia質(zhì)粒,陰性對(duì)照為未轉(zhuǎn)入Cry1Ia基因植株DNA。以ddH2O為空白對(duì)照。兩個(gè)基因擴(kuò)增反應(yīng)體系相同。反應(yīng)體系如下,Cry1Ia基因PCR擴(kuò)增條件:94℃預(yù)變性5 min;35個(gè)循環(huán);94℃變性30 min,50℃退火30 s,72℃延伸30 s;72℃終延伸10 min;4℃終止反應(yīng)。Bar基因PCR擴(kuò)增條件:94℃預(yù)變性5 min;35個(gè)循環(huán);94℃變性30 min,58℃退火30 s,72℃延伸30 s;72℃終延伸10 min;4℃終止反應(yīng)。PCR產(chǎn)物檢測(cè):取5μL擴(kuò)增產(chǎn)物,加1μL 6×loading Buffer混勻,2.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),紫外分析儀觀察并拍照。
1.3.4 轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆KE1的Western blot檢測(cè)
從田間選取轉(zhuǎn)基因陽性植物和對(duì)照植株新鮮未成熟葉片、花、籽粒和莢皮組織,提取總蛋白。12%SDS-PAGE上分離轉(zhuǎn)基因植株總蛋白(約40μg)。分離后蛋白使用轉(zhuǎn)膜設(shè)備轉(zhuǎn)移至聚偏二氟乙烯(PVDF膜)上。然后利用脫脂牛奶對(duì)PVDF膜上的非特異性位點(diǎn)作封閉。一抗為鼠抗Cry1Ia蛋白抗血清,稀釋濃度為1∶100;另一個(gè)為鼠抗Bar-PAT蛋白單克隆抗體,稀釋濃度為1∶10 000。二抗為辣根過氧化物酶標(biāo)記兔抗鼠抗體,稀釋濃度隨一抗的稀釋濃度成倍遞增或遞減。經(jīng)蛋白雜交和洗膜后,使用化學(xué)發(fā)光蛋白質(zhì)印跡試劑盒中A、B液(1∶1)在膜上直接顯色,1 min后利用化學(xué)發(fā)光成像系統(tǒng)照相。
1.3.5 轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆KE1的ELISA檢測(cè)
在大豆生長(zhǎng)結(jié)莢期,從田間采集轉(zhuǎn)基因陽性植株和對(duì)照植株新鮮葉片、花、子粒和莢皮部位組織,用錫紙包裹后立即放入液氮,用研缽將樣品充分研磨,離心并適當(dāng)稀釋上清液后,按照廠商說明書作雙抗體夾心酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定(ELISA法),分析外源蛋白Cry1Ia和Bar在轉(zhuǎn)基因陽性植株不同組織中表達(dá)水平。通過繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品中Cry1Ia和Bar蛋白濃度。
當(dāng)室內(nèi)種植轉(zhuǎn)基因材料KE1的T3和T4代以及受體材料墾農(nóng)18第4個(gè)三出復(fù)葉完全展開時(shí),取大豆植株頂部展開第3個(gè)三出復(fù)葉置于培養(yǎng)皿濕濾紙上,葉柄一端用濕棉花包裹,外包封口膜防止葉片失水,每個(gè)材料重復(fù)測(cè)定4次。幼蟲培養(yǎng)方式、光照周期等處理參考徐曉麗等[13]。在接蟲后3 d利用葉面積儀測(cè)定幼蟲取食大豆品種葉面積,計(jì)算葉面積損失率,同時(shí)記錄幼蟲死亡率和體重。取食3 d時(shí),對(duì)轉(zhuǎn)基因材料KE1和受體品種葉面積損失率和抗性作分級(jí),分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。
表1 葉片損害鑒定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table1 Classification criteria for bladedamageidentification
食用轉(zhuǎn)基因品種KE1和墾農(nóng)18幼蟲平均校正死亡率、平均體重抑制百分率計(jì)算參考文獻(xiàn)[14]。采用方差分析法比較轉(zhuǎn)基因抗蟲大豆品種KE1和對(duì)應(yīng)非轉(zhuǎn)基因大豆品種墾農(nóng)18幼蟲平均校正死亡率和平均體重抑制百分率差異。
2019年5 月上旬將KE1 T3代和T4代轉(zhuǎn)基因材料和非轉(zhuǎn)基因?qū)φ詹牧蠅ㄞr(nóng)18播種于抗蟲網(wǎng)室內(nèi)。大豆食心蟲田間抗蟲性鑒定方法和單株蟲食率計(jì)算參考錢雪艷等方法[15]。
表2 大豆食心蟲田間抗性鑒定標(biāo)準(zhǔn)Table2 L.glycinivorella Matsumura resistancein thefield evaluation criteria
運(yùn)用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件分析試驗(yàn)結(jié)果。
2.1.1 轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆KE1的PCR檢測(cè)
分別利用Cry1Ia和Bar基因引物對(duì)轉(zhuǎn)基因株系KE1的T3~T5代植株作PCR檢測(cè),在轉(zhuǎn)基因株系KE1的T3~T5代植株中均檢測(cè)到200 bpCry1Ia目的條帶和238 bpBar目的條帶(見圖1),表明轉(zhuǎn)基因株系KE1中目的基因Cry1Ia和篩選基因Bar在T3~T5代中連續(xù)穩(wěn)定遺傳。
2.1.2 轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆KE1的Western blot檢測(cè)
為分析轉(zhuǎn)錄的Cry1Ia和Bar是否翻譯成蛋白質(zhì)以及在葉片、花、未成熟籽粒和莢皮等不同組織中蛋白質(zhì)表達(dá)是否存在差異,利用武漢上成公司制備的Cry1Ia和Bar蛋白多克隆抗體對(duì)T4代開花結(jié)莢期根、莖、葉、花和莢皮不同組織中目的基因及標(biāo)記基因表達(dá)蛋白作Western blot雜交分析。Western blot雜交表明,外源蛋白Cry1Ia在轉(zhuǎn)基因大豆中獲得表達(dá),Cry1Ia蛋白約為81.05 ku,與預(yù)期一致。在KE1的T4代根、莖、葉片和莢皮中均檢測(cè)到81 ku蛋白條帶,與預(yù)期Cry1Ia蛋白一致,而受體墾農(nóng)18未檢測(cè)到81 ku蛋白條帶(見圖2),說明整合到墾農(nóng)18大豆基因組上的Cry1Ia在根、莖、葉片和莢皮中均翻譯成蛋白。
圖1 轉(zhuǎn)基因大豆PCR檢測(cè)Fig.1 PCR detection of genetically modified soybeans
圖2 轉(zhuǎn)基因大豆Cry1Ia蛋白Western blot檢測(cè)Fig.2 Detection of Cry1Ia protein in transgenic soybean by Western blot
Western blot雜交表明,外源蛋白Bar在轉(zhuǎn)基因大豆中獲得表達(dá),Bar蛋白約為21 ku,與預(yù)期一致。在KE1的T4代根、莖、葉片、花、莢皮中均檢測(cè)到21 ku蛋白條帶,與預(yù)期Bar蛋白一致,而受體墾農(nóng)18未檢測(cè)到21 ku蛋白條帶(見圖3),說明整合到墾農(nóng)18大豆基因組上的Bar在根、莖、葉片、花、莢皮中均翻譯成蛋白。
圖3 轉(zhuǎn)基因大豆Bar蛋白Western blot檢測(cè)Fig.3 Detection of Bar protein in transgenic soybean by Western blot
2.1.3 轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆KE1的ELISA檢測(cè)
利用ELISA試劑盒對(duì)轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆KE1中Cry1Ia蛋白定量分析,標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.2416x+0.2437(R2=0.9958)。結(jié)果表明,Cry1Ia蛋白在轉(zhuǎn)基因大豆KE1生長(zhǎng)不同時(shí)期及不同組織部位均表達(dá)(見表3)。T3代Cry1Ia蛋白在苗期(V3)根、莖和葉片中表達(dá)含量分別為0.105±0.000、1.350±0.001和1.967±0.067μg·g-1。Cry1Ia蛋白在開花結(jié)莢期(R2)根、莖、葉片、花和莢皮中分別為0.242±0.008、0.873±0.052和0.632±0.035、0.221±0.040和0.157±0.020μg·g-1。在鼓粒期(R6)根、莖、葉片和籽粒中分別為0.081±0.024、1.240±0.195、2.630±0.089和2.020±0.031μg·g-1。在成熟期(R8)根、莖、葉片和籽粒中分別為0.146±0.024、2.287±0.189、5.308±0.280和6.020±0.634μg·g-1。分析T3和T4連續(xù)2代4個(gè)時(shí)期不同組織中Cry1Ia蛋白含量,結(jié)果表明Cry1Ia蛋白在轉(zhuǎn)基因大豆器官樣品中均可檢測(cè)到,不同器官中目的蛋白含量具有一定變化,總體說,大豆籽粒Cry1Ia蛋白含量相對(duì)最高,根中含量相對(duì)較低。
表3 Cry1Ia蛋白在轉(zhuǎn)基因株系KE1 T 3~T 4代4個(gè)時(shí)期不同組織表達(dá)量分析Table3 Analysis of Cry1Ia protein expression in different tissuesof transgenic line KE1 T 3-T 4 in four periods
利用ELISA分析標(biāo)記蛋白Bar(PAT)表達(dá)水平表明,標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.1888x+0.033(R2=0.9947)。Bar在轉(zhuǎn)基因大豆KE1生長(zhǎng)不同時(shí)期及不同組織部位均表達(dá)(見表4)。T3代Bar蛋白在苗期(V3)根、莖和葉片中表達(dá)含量分別為0.537±0.001、0.698±0.035和0.882±0.045μg·g-1。Bar蛋白在開花結(jié)莢期(R2)根、莖、葉片、花和莢皮中分別為2.350±0.021、2.690±0.032、2.970±0.102、1.120±0.078和3.153±0.315μg·g-1。在鼓粒期(R6)根、莖、葉片和籽粒中別為1.450±0.001、2.530±0.002、2.460±0.005和3.470±0.003μg·g-1。在成熟期(R8)根、莖、葉片、花和籽粒中分別為3.450±0.357、4.950±0.561、4.490±0.256、4.050±0.376和4.160±0.236μg·g-1。分析T3和T4連續(xù)2代4個(gè)時(shí)期不同組織中Bar蛋白含量,結(jié)果表明Bar蛋白在轉(zhuǎn)基因大豆器官樣品中均可檢測(cè)到,不同器官中目的蛋白含量有一定時(shí)空變化。
表4 Bar蛋白在轉(zhuǎn)基因株系KE1 T 3~T4代4個(gè)時(shí)期不同組織表達(dá)量分析Table 4 Analysis of Bar protein expression in different tissues of T 3-T 4 generation of transgenic line KE1 in four periods
本試驗(yàn)利用KE1 T5代陽性植株R1期離體葉片與受體墾農(nóng)18葉片分別喂食一齡甜菜夜蛾幼蟲,作甜菜夜蛾室內(nèi)生測(cè),鑒定結(jié)果表明,甜菜夜蛾一齡幼蟲取食KE1葉片3 d后,T5代轉(zhuǎn)基因大豆KE1葉片損失率為9.76%±2.49%,表現(xiàn)為高抗性,而對(duì)照葉片損失率為81.29%±12.54%,表現(xiàn)為感性(見圖4)。KE1 T5代校正死亡率為85.57%±8.08%。同時(shí)KE1 T5代平均體重抑制百分率為26.21%±7.74%。因此,轉(zhuǎn)基因大豆KE1葉片對(duì)甜菜夜蛾幼蟲抗性顯著高于受體墾農(nóng)18,對(duì)甜菜夜蛾幼蟲表現(xiàn)較高抗性。
本試驗(yàn)利用KE1 T5代陽性植株R1期離體葉片與受體墾農(nóng)18葉片分別喂食一齡斜紋夜蛾幼蟲,作斜紋夜蛾室內(nèi)生測(cè),鑒定結(jié)果表明,斜紋夜蛾一齡幼蟲取食KE1葉片3 d后,T5代轉(zhuǎn)基因大豆KE1葉片損失率分別為6.11%±4.56%,表現(xiàn)為高抗性,而對(duì)照葉片損失率為85.12%±14.08%,表現(xiàn)為感性(見圖5)。KE1 T5代校正死亡率為83.78%±12.18%。同時(shí)KE1 T5代平均體重抑制百分率為57.15%±19.51%。因此,轉(zhuǎn)基因大豆KE1葉片對(duì)斜紋夜蛾幼蟲表現(xiàn)較高抗性。
本試驗(yàn)室利用KE1 T5代陽性植株R1期離體葉片與受體墾農(nóng)18葉片分別喂食一齡黏蟲,作黏蟲室內(nèi)生測(cè),鑒定結(jié)果表明,黏蟲幼蟲取食KE1葉片3 d后,T5代轉(zhuǎn)基因大豆KE1葉片損失率為6.48%±3.49%,表現(xiàn)高抗性,而對(duì)照葉片損失率為74.08%±11.08%,表現(xiàn)為感性(見圖6)。KE1 T5代校正死亡率為80.51%±8.99%。同時(shí)KE1 T5代平均體重抑制百分率為35.73%±16.27%。因此,轉(zhuǎn)基因大豆KE1葉片對(duì)黏蟲幼蟲表現(xiàn)較高抗性。
在抗蟲網(wǎng)室內(nèi)種植KE1 T2~T3代陽性植株和受體墾農(nóng)18,8月初放入大豆食心蟲成蟲,轉(zhuǎn)基因陽性植株成熟后,分析KE1株系和受體墾農(nóng)18抗蟲性狀,鑒定表明,KE1蟲食率為0.3%~2.7%,顯著低于對(duì)照受體品種(21.6%~35.6%)。表明KE1對(duì)大豆食心蟲抗性表現(xiàn)為高抗,且抗蟲水平顯著高于受體品種(見表5)。連續(xù)兩代抗蟲性鑒定結(jié)果表明,轉(zhuǎn)基因大豆KE1對(duì)大豆食心蟲田間抗性穩(wěn)定遺傳。
圖4 甜菜夜蛾幼蟲取食T 5代轉(zhuǎn)基因大豆KE1和墾農(nóng)18葉片情況Fig.4 Feeding statusof S.exigua larvae on theleaves of T 5 generation of transgenic line KE1 and Kennong 18
圖5 斜紋夜蛾幼蟲取食T 5代轉(zhuǎn)基因大豆KE1和墾農(nóng)18葉片情況Fig.5 Feeding status of S.litura larvae on theleaves of T 5 generation of transgenic line KE1 and Kennong 18
圖6 黏蟲幼蟲取食T 5代轉(zhuǎn)基因大豆KE1和墾農(nóng)18葉片情況Fig.6 Feeding status of Mythimna separata W.larvaeon the leaves of T 5 generation of transgenic line KE1 and Kennong 18
表5 轉(zhuǎn)基因大豆KE1田間大豆食心蟲抗性分析Table 5 Analysis of L.glycinivorella Matsumura resistance in the field
隨著基因工程技術(shù)進(jìn)步,轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物種類和耕種面積迅速增長(zhǎng),研究轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物安全性至關(guān)重要。轉(zhuǎn)基因作物安全性評(píng)價(jià)主要分為食品安全性和環(huán)境安全性兩個(gè)層次[16]。轉(zhuǎn)基因植物環(huán)境安全性評(píng)價(jià)主要包括對(duì)靶標(biāo)害蟲和非靶標(biāo)害蟲的影響,其中對(duì)靶標(biāo)害蟲的影響是環(huán)境安全評(píng)價(jià)主要內(nèi)容。
本研究對(duì)轉(zhuǎn)基因大豆KE1作ELISA檢測(cè),發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因大豆在生長(zhǎng)不同時(shí)期及不同組織部位均表達(dá),且不同器官中目的蛋白含量存在一定時(shí)空變化,與邵宇鵬等研究結(jié)果一致[17]。本文選取東北地區(qū)常見鱗翅目靶標(biāo)害蟲檢測(cè)生物活性,分別統(tǒng)計(jì)葉面積損失率、平均體重抑制百分率和蟲食率等重要參數(shù),試驗(yàn)方法與宋苗等采用方法一致[18]。
本研究所用轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆KE1株系中目的基因Cry1Ia和標(biāo)記基因Bar在T3~T5代中連續(xù)三代穩(wěn)定遺傳。Cry1Ia基因在葉片、花、未成熟籽粒和莢皮中均翻譯成相應(yīng)蛋白。大豆籽粒Cry1Ia蛋白含量相對(duì)最高,根中含量相對(duì)較低。選用T5代轉(zhuǎn)基因與對(duì)照植株墾農(nóng)18葉片分析鱗翅目害蟲幼蟲抗性,證明轉(zhuǎn)基因大豆KE1供試鱗翅目害蟲幼蟲具有較高抗性。因此,轉(zhuǎn)基因KE1株系顯著提高受體大豆墾農(nóng)18對(duì)鱗翅目靶標(biāo)害蟲抗性,可用于培育抗鱗翅目靶標(biāo)害蟲大豆新品系。后續(xù)試驗(yàn)可通過對(duì)非靶標(biāo)昆蟲的安全性評(píng)價(jià),通過生物素標(biāo)記結(jié)合方法以及Ligand blot配給雜交方法,探究靶標(biāo)昆蟲中腸BBMV蛋白是否存在Cry1Ia蛋白特異性受體,為解釋轉(zhuǎn)Cry1Ia基因大豆殺蟲機(jī)制奠定基礎(chǔ)。